Mise en ´ evidence des effets d’autocollimation

Dans l’exp´erience d´ecrite ici, la tache de pompe fait 6 µm de diam`etre (donc suffi-samment petite pour tenir dans le pilier central des motifs de test) et la puissance moyenne incidente sur l’´echantillon est de 150µW (soit une densit´e de puissance crˆete de 4MW/cm²).

Compte tenu des conditions de pompage et de la structure de l’´echantillon (membrane de GaAs avec puits GaInAs), le pompage g´en`ere une luminescence qui s’´etend continument de 820 nm `a 1020 nm avec un pic autour de 875 nm (GaAs) et un pic autour de 970 nm (puits GaInAs). Notre syst`eme d’imagerie hyperspectrale permet d’observer la luminescence ´emise jusqu’`a 1010 nm environ (coupure de la cam´era CCD du spectrom`etre imageur).

Une premi`ere s´erie d’observations a ´et´e obtenue `a partir d’une excitation centrale en pompant le pilier. Les directions d’autocollimation ont ´et´e clairement mises en ´evidence sous la forme d’une croix orient´ee `a 45 degr´es comme indiqu´e sur la figure III.3 page 61.

La figure III.7 page suivante montre l’image hyperspectrale obtenue sur la structure de test avec un pas a=204 nm pour diff´erentes longueurs d’onde. L’intensit´e est cod´ee en fausses couleurs (´echelle arbitraire croissante du bleu au rouge), la zone centrale blanche correspondant `a la zone de pompage.

Pour des longueurs d’onde entre 850 et 900 nm, la lumi`ere ´emise par le pilier se propage dans le cristal photonique de fa¸con relativement isotrope. Par contre, de 930 `a 1000 nm, la propagation se fait pr´ef´erentiellement selon les deux axes d’autocollimation

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a +45^◦ et -45^◦ et on passe d’une forme circulaire `a une forme en croix. On observe en particulier un creux dans les directions de propagation interdites `a 0^◦ et 90^◦. Bien que cette observation soit assez impr´ecise, elle permet de mettre en ´evidence la tr`es large gamme spectrale sur laquelle on observe ces directions privil´egi´ees. Cette gamme s’´etend de 930 `a 1000 nm (soit ∆λ/λ ' 7%) et est limit´ee du cˆot´e des grandes longueurs d’onde par la coupure de la cam´era CCD du spectrom`etre imageur.

Une observation plus pr´ecise a pu ˆetre obtenue `a partir d’un pompage lat´eral, c’est

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a dire avec un spot de pompe `a cˆot´e de l’´echantillon de test. Diff´erentes positions du spot de pompe autour de la membrane sont possibles. On peut ainsi placer le spot de pompe dans l’axe d’une direction d’autocollimation, par exemple `a +45^◦. La figure III.8 page 67 pr´esente ainsi l’observation obtenue `a 990 nm pour un motif ayant un param`etre de maille a=192 nm. Les fronti`eres du cristal photonique sur membrane sont signal´ees par des traits blancs et les directions d’autocollimation par les pointill´es gris. On observe que la lumi`ere p´en`etre pr´ef´erentiellement selon la direction d’autocollimation et sans ´etalement notable.

On peut aussi placer le spot de pompe `a 0<sup>◦</sup>, c’est `a dire dans l’axe d’une direction de propagation interdite. En pratique, c’est dans cette configuration que les observations sont les plus pr´ecises et les plus probantes.

La figure III.9 page 68 donne ainsi un exemple d’observation dans le cas d’une maille

FigureIII.7 – Image spectrale de la structure de test au pas a=204 nm. Le spot de pompe est plac´e au centre de la structure.

III.2. ETUDE EXP ´ERIMENTALE DE STRUCTURE MEMBRANAIRE 67

Figure III.8 – Image spectrale `aλ = 990 nm de la structure de test au pas a=192 nm. Le spot de pompe est plac´e `a 45^◦.

de a=194 nm pour diff´erentes longueurs d’onde. Les fronti`eres du cristal photonique sur membrane sont signal´ees par des traits blancs et les directions d’autocollimation par les pointill´es gris. En dessous de 900 nm, on observe quasiment aucune p´en´etration de la lumi`ere dans le cristal photonique. Entre 950 et 990 nm, la lumi`ere p´en`etre dans le cristal photonique et se dirige dans toutes les directions possibles. Au fur et `a mesure que la longueur d’onde augmente, on voit apparaˆıtre clairement deux directions privil´egi´ees selon les deux axes d’autocollimation `a +45^◦ et -45^◦. Sur toute la gamme 990 nm `a 1005 nm, ces deux directions sont nettement visibles. Les observations sont similaires pour tous les autres motifs pr´esents sur l’´echantillon de test, avec des mailles photoniques variant de a=186 nm

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a a=204 nm. Nous ne notons pas de diff´erence appr´eciable dans la gamme de longueur d’onde sur laquelle apparaissent distinctement ces deux directions d’autocollimation, ce qui confirme la faible s´electivit´e spectrale de l’effet d’autocollimation. Enfin, nous avons aussi essay´e d’augmenter la taille du spot de pompe afin de pomper non pas le pilier central, mais l’int´egralit´e de la membrane. Cette tentative n’a pas donn´e de r´esultats probants et a mis en ´evidence la faible luminescence obtenue dans les zones de cristal photonique.

III.2.6 Conclusion

Cette s´erie d’exp´eriences nous a permis d’observer clairement l’effet d’autocollimation dans les structures photoniques que nous avions choisies. De plus, l’autocollimation appa-raˆıt bien dans la gamme de longueurs d’onde (990 `a 1000 nm) pr´evues pour les param`etres de maille retenus, ce qui valide les choix faits lors de la phase de conception. Cependant, ces observations ont montr´e deux limites importantes. Tout d’abord, la faible d´ependance spectrale de l’effet d’autocollimation n´ecessitera `a terme la r´ealisation de structures `a auto-collimation de grande longueur pour pouvoir d´eterminer avec pr´ecision la longueur d’onde

Figure III.9 – Images spectrales de la structure de test au pas a=194 nm. Le spot de pompe est plac´e `a 0<sup>◦</sup>, c’est `a dire `a droite de la structure dans la direction de propagation interdite.